[科普中国]-可控气氛热处理

热处理生产技术重点发展的方向之一是可控气氛热处理。在无氧化热处理技术的发展趋势中，首推可控气氛热处理。在目前少品种、大批量生产中，尤其是碳素钢和一般合金结构钢件的光亮淬火、退火、渗碳淬火、碳氮共渗淬火、气体氮碳共渗仍以可控气氛为主要手段。所以可控气氛热处理仍是先进热处理技术的主要组成部分。

制备气氛气源中国在掌握和推广可控气氛过程中，在解决气氛问题上走过了漫长的道路。最早的吸热式气氛发生炉主要用液化气，即纯度较高的丙烷或丁烷。近年已证实，我国的天然气资源丰富，为用甲烷制备吸热式气氛创造了良好的条件。1

设备

能密封的炉型；自动化程度高，生产柔性大，适用性强的多用炉生产线等；因而发展前途广，市场需求大。

热处理应用渗碳：高温渗碳是渗碳技术发展趋势之一。提高渗碳温度可以显著提高生产率和节省能耗。为此研究开发可用于1000℃以上的电辐射管材料是当务之急，低压渗碳技术的开发和完善为实现高温渗碳（1040℃）创造了条件。钢件的渗碳层深度要求一般都较保守，有时也很盲目。看来有必要研究决定渗碳层深度的力学因素，探讨减少渗层规定的可能性。

碳氮共渗：碳氮共渗温度比渗碳低，工件畸变小。在渗层深度为0.6mm以下时的渗速接近于930℃渗碳。钢碳氮共渗时容易出现反常组织，淬火后表面硬度有下降现象，渗层中有较多的残留奥氏体。如何合理选择工艺，充分发挥碳氮共渗潜力仍是值得探讨的问题。过去曾有人提倡过高浓度碳氮共渗，也曾有过钢件碳氮共渗时表面含碳量在0.6%，具有最好综合力学性能的报道，为此众说纷纭。看来有必要掌握这些规律，对生产工艺的优选有所帮助。目前绝大部份汽车、摩托车的重要件都采用碳氮共渗来提高其使用寿命；有报到GCr15钢制的球和滚柱则由过去的淬火、回火改为碳氮共渗、淬火、回火、轴承的使用寿命提高了2.42倍。所以，碳氮共渗是值得认真研究和提倡的一种好方法。

光亮淬火：最适合在连续式作业炉（如：振底式炉、连（网）带炉、推杆炉等）、多用炉等。广泛用于碳素结构钢、中碳合金结构钢等。

光亮退火：能密封的炉型都可以进行光亮退火。适合碳素结构钢、中碳合金结构钢、低碳钢的完全退火、不完合退火、再结晶退火等。

可控气氛可控气氛，加热金属时为了保护金属表面和调节金属表面化学成分而使用的成分可以控制的气体。金属（主要是钢）在可控气氛中加热时，可以避免表面氧化或脱碳，也可按照要求使表面增碳。可控气氛一般由两种以上的气体混合而成，当仅仅为了避免表面氧化时，也可采用单一的气体作为保护气体，例如氢、氩或氮气等。可控气氛主要用于金属热处理，也用于锻坯的少、无氧化加热（见锻坯加热）。

分类可控气氛主要有吸热式气、放热式气、氮基气氛、氨分解气、滴注分解气、氢和木炭气。2

吸热式气

在发生器中，把天然气、液化石油气等气体与一定比例的空气混合（当空气量较少时，混合气体先部分燃烧），再通过加热到高温（1000℃以上）的催化剂，使混合气体的未燃部分热裂解（吸热反应）而制得。吸热式气是一种应用最广的可控气氛。把它作为运载气体，将适量的富化气（甲烷或丙烷）带入加热炉内，就可以使低碳钢件表面渗碳，使碳含量达到规定的要求。控制富化气的添加量，便能控制炉气的碳势。炉气的碳势是指某一温度下炉气与钢表面奥氏体中的碳量相平衡时的碳量，简单地可理解为炉气的渗碳能力。吸热式气氛在渗碳、碳氮共渗和气体氮碳共渗等化学热处理工艺中应用极广，也可用于中碳钢、高碳钢、合金工具钢、轴承钢和高速钢的光亮淬火。

放热式气

在发生器中,把天然气液化石油气等气体燃料或酒精、柴油等液体燃料与较多的空气混合，使它接近于完全燃烧(放热反应)，再对燃烧产物进行初步净化(除水)或高度净化(除水、二氧化碳和一氧化碳)而制得的气体。放热式气可用于低碳钢的光亮退火、硅钢片的脱碳退火、中碳钢、高碳钢的光亮淬火、粉末冶金的烧结和气体氮碳共渗等。净化放热式气氛还可用于不锈钢的退火和钎焊保护，或作为渗碳时的运载气体等。

氮基气氛

常用的是将制氧过程中产生的工业氮经净化（除氧或空气）后得到的高纯氮气，也可以是将液氮蒸发得到的气体。氮基气氛可用于加热保护，也可以加入甲醇等使其成分接近吸热式气氛，作为渗碳时的运载气体，再加入富化气（如丙烷等）即可渗碳。它的优点是可以节约天然气、液化石油气等，碳势也可控制。

氨分解气

氨在一定温度和催化剂作用下可完全分解为 3个体积的氢和 1个体积的氮，形成氨分解气。也可以把氨和空气混合进行部分燃烧，然后除水净化得到氨燃烧气（主要成分是氮）。这两种气氛都含氢，属于氢-水类型的混合气体。多用于不锈钢高速钢的热处理和粉末冶金的烧结。因氨较贵，故制备成本较高。

滴注分解气

使钢表面的碳浓度可以控制的滴注式渗碳所产生的分解气也属于可控气氛。这就是60年代初期提出的卡博马格法。其原理是：往炉中滴入两种有机液体，在炉中发生热裂解，以一种液体（如甲醇）的热裂解气作为运载气体，以另一种（如醋酸乙酯）的热裂解气作为富化气体来实现钢的渗碳，并靠调节第二种液体的滴入量来达到控制炉气碳势的目的。这种方法的优点是不用气体发生炉，设备结构简单，适于批量生产。

氢

氢是还原性气体。绝对干燥的氢是难以制备的，因此使用的氢实际上是微量水和氢的混合气体。金属在氢中加热时是氧化或是还原取决于水与氢的比值。但用氢保护加热不能绝对防止钢的脱碳。不锈钢和硅钢片的退火、粉末冶金的烧结铁粉还原,都可以在氢气中进行。

木炭气

用鼓风机把空气吹入发生炉中，空气与炽热的木炭反应所产生的煤气即木炭气。其主要成分是一氧化碳和二氧化碳。一氧化碳是还原性气体，二氧化碳是氧化性气体。钢在这种混合气中加热时，气氛的氧化和还原能力取决于CO2/CO比值。调节这个比值就可以使钢达到无氧化无脱碳效果。木炭气可用于钢的保护加热。

发展历程1850年，英国出现气体保护无氧化加热技术。1850～1880年又出现一系列利用气体（氢、木炭气、一氧化碳）保护的铜材装箱退火法。1880年英国人W.休伊特提出氢保护的钢材装箱退火法，以免去酸洗除氧化皮工序。1890年英国人H.H.莱克获得木炭气体发生炉的专利。1925年,美国在转筒式炉中进行了气体渗碳,在升降底式炉中实行铜的蒸汽保护光亮退火。至此，可控气氛才开始在工业上得到应用。与此同时，对金属表面在加热状态下的氧化、还原反应的物理化学过程的深入研究，奠定了应用可控气氛的理论基础。但是，由于缺乏适用的工业加热设备，并且考虑到经济性等因素，可控气氛在很长时期内发展很慢。30年代以后，随着无罐渗碳炉的出现和碳势露点控制的成功应用，以及60年代红外线二氧化碳测定仪的问世和滴注式可控渗碳的发明，才使可控气氛在热处理中的应用获得迅速发展。可控气氛的广泛应用，使工件从长期以来的带黑皮的加热变为光亮加热，使金属和合金的表面化学成分能够稳定、合理地调整到预定要求，这实际上是工业加热和热处理技术的一次重要变革。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学